C++ 面试八股文总结 -- STL

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标准模板库（Standard Template Library,简称STL）简单说，就是一些常用数据结构和算法的模板的集合。

广义上讲，STL分为3类：Algorithm（算法）、Container（容器）和Iterator（迭代器），容器和算法通过迭代器可以进行无缝地连接。

详细的说，STL由6部分组成：容器(Container)、算法（Algorithm）、 迭代器（Iterator）、仿函数（Function object）、适配器（Adaptor）、空间配制器（Allocator）。

答案解析

标准模板库STL主要由6大组成部分：容器(Container)

1. 是一种数据结构， 如list, vector, 和deques，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。

2. 算法（Algorithm）

   是用来 *** 作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一 个vector中的数据进行排序，用find()来搜索一个list中的对象， 函数本身与他们 *** 作的数据的结构和类型无关，因此他们可以用于从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上。

3. 迭代器（Iterator）

   提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。 迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。 但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的 *** 作符方法的类对象;

4. 仿函数（Function object）

   仿函数又称之为函数对象， 其实就是重载了 *** 作符的struct,没有什么特别的地方。

5. 适配器（Adaptor）

   简单的说就是一种接口类，专门用来修改现有类的接口，提供一中新的接口；或调用现有的函数来实现所需要的功能。主要包括3中适配器Container Adaptor、Iterator Adaptor、Function Adaptor。

6. 空间配制器（Allocator）

   为STL提供空间配置的系统。其中主要工作包括两部分：

   （1）对象的创建与销毁；（2）内存的获取与释放。

容器可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构，都是模板类，分为顺序容器、关联式容器、容器适配器三种类型，三种类型容器特性分别如下：

1. 顺序容器

   容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。包含vector、deque、list，具体实现原理如下：

   （1）vector 头文件

   动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能。

   （2）deque 头文件

   双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成（仅次于vector）。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。

   （3）list 头文件

   双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。

2. 关联式容器

   元素是排序的；插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置；在查找时具有非常好的性能；通常以平衡二叉树的方式实现。包含set、multiset、map、multimap，具体实现原理如下：

   （1）set/multiset 头文件

   set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同元素。

   （2）map/multimap 头文件

   map与set的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变，一个名为first,另一个名为second, map根据first值对元素从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。

   注意：map同multimap的不同在于是否允许相同first值的元素。

3. 容器适配器

   封装了一些基本的容器，使之具备了新的函数功能，比如把deque封装一下变为一个具有stack功能的数据结构。这新得到的数据结构就叫适配器。包含stack,queue,priority_queue，具体实现原理如下：

   （1）stack 头文件

   栈是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最进插入序列的项（栈顶的项）。后进先出。

   （2）queue 头文件

   队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行。先进先出。

   （3）priority_queue 头文件

   优先级队列。内部维持某种有序，然后确保优先级最高的元素总是位于头部。最高优先级元素总是第一个出列。

参考回答

map、hashtable、deque、list实现机理分别为红黑树、函数映射、双向队列、双向链表，他们的特性分别如下：

1. map实现原理

   map内部实现了一个红黑树（红黑树是非严格平衡的二叉搜索树，而AVL是严格平衡二叉搜索树），红黑树有自动排序的功能，因此map内部所有元素都是有序的，红黑树的每一个节点都代表着map的一个元素。因此，对于map进行的查找、删除、添加等一系列的 *** 作都相当于是对红黑树进行的 *** 作。map中的元素是按照二叉树（又名二叉查找树、二叉排序树）存储的，特点就是左子树上所有节点的键值都小于根节点的键值，右子树所有节点的键值都大于根节点的键值。使用中序遍历可将键值按照从小到大遍历出来。

2. hashtable（也称散列表，直译作哈希表）实现原理

   hashtable采用了函数映射的思想记录的存储位置与记录的关键字关联起来，从而能够很快速地进行查找。这决定了哈希表特殊的数据结构，它同数组、链表以及二叉排序树等相比较有很明显的区别，它能够快速定位到想要查找的记录，而不是与表中存在的记录的关键字进行比较来进行查找。

3. deque实现原理

   deque内部实现的是一个双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都在常数时间完成（仅次于vector）。所有适用于vector的 *** 作都适用于deque。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）。

4. list实现原理

   list内部实现的是一个双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。无成员函数，给定一个下标i，访问第i个元素的内容，只能从头部挨个遍历到第i个元素。

参考回答

一般情况下,一个程序包括数据结构和相应的算法，而数据结构作为存储数据的组织形式，与内存空间有着密切的联系。在C++ STL中，空间配置器便是用来实现内存空间(一般是内存，也可以是硬盘等空间)分配的工具，他与容器联系紧密，每一种容器的空间分配都是通过空间分配器alloctor实现的。

答案解析

1. 两种C++类对象实例化方式的异同

   在c++中，创建类对象一般分为两种方式：一种是直接利用构造函数,直接构造类对象，如 Test test()；另一种是通过new来实例化一个类对象，如 Test *pTest = new Test；那么，这两种方式有什么异同点呢？

   我们知道，内存分配主要有三种方式：

   （1） 静态存储区分配：内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行空间内都存在。如全局变量,静态变量等。

   （2） 栈空间分配：程序在运行期间，函数内的局部变量通过栈空间来分配存储（函数调用栈），当函数执行完毕返回时，相对应的栈空间被立即回收。主要是局部变量。
   （3）堆空间分配：程序在运行期间，通过在堆空间上为数据分配存储空间，通过malloc和new创建的对象都是从堆空间分配内存，这类空间需要程序员自己来管理，必须通过free()或者是delete()函数对堆空间进行释放，否则会造成内存溢出。

   那么，从内存空间分配的角度来对这两种方式的区别，就比较容易区分:

   （1）对于第一种方式来说，是直接通过调用Test类的构造函数来实例化Test类对象的,如果该实例化对象是一个局部变量，则其是在栈空间分配相应的存储空间。
   （2）对于第二种方式来说,就显得比较复杂。这里主要以new类对象来说明一下。new一个类对象,其实是执行了两步 *** 作：首先,调用new在堆空间分配内存,然后调用类的构造函数构造对象的内容；同样，使用delete释放时，也是经历了两个步骤：首先调用类的析构函数释放类对象，然后调用delete释放堆空间。

2. C++ STL空间配置器实现

   很容易想象，为了实现空间配置器，完全可以利用new和delete函数并对其进行封装实现STL的空间配置器，的确可以这样。但是，为了最大化提升效率，SGI STL版本并没有简单的这样做，而是采取了一定的措施，实现了更加高效复杂的空间分配策略。由于以上的构造都分为两部分，所以，在SGI STL中，将对象的构造切分开来，分成空间配置和对象构造两部分。

   内存配置 *** 作: 通过alloc::allocate()实现
   ​ 内存释放 *** 作: 通过alloc::deallocate()实现
   ​ 对象构造 *** 作: 通过::construct()实现
   ​ 对象释放 *** 作: 通过::destroy()实现

   关于内存空间的配置与释放，SGI STL采用了两级配置器：一级配置器主要是考虑大块内存空间，利用malloc和free实现；二级配置器主要是考虑小块内存空间而设计的（为了最大化解决内存碎片问题，进而提升效率），采用链表free_list来维护内存池（memory pool），free_list通过union结构实现，空闲的内存块互相挂接在一块，内存块一旦被使用，则被从链表中剔除，易于维护。

参考回答

STL中常用的容器有vector、deque、list、map、set、multimap、multiset、unordered_map、unordered_set等。容器底层实现方式及时间复杂度分别如下：

1. vector

   采用一维数组实现，元素在内存连续存放，不同 *** 作的时间复杂度为：

   插入: O(N)

   查看: O(1)

   删除: O(N)

2. deque

   采用双向队列实现，元素在内存连续存放，不同 *** 作的时间复杂度为：

   插入: O(N)

   查看: O(1)

   删除: O(N)

3. list

   采用双向链表实现，元素存放在堆中，不同 *** 作的时间复杂度为：

   插入: O(1)

   查看: O(N)

   删除: O(1)

4. map、set、multimap、multiset

   上述四种容器采用红黑树实现，红黑树是平衡二叉树的一种。不同 *** 作的时间复杂度近似为:

   插入: O(logN)

   查看: O(logN)

   删除: O(logN)

5. unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、 unordered_multiset

   上述四种容器采用哈希表实现，不同 *** 作的时间复杂度为：
   插入: O(1)，最坏情况O(N)

   查看: O(1)，最坏情况O(N)

   删除: O(1)，最坏情况O(N)

   注意：容器的时间复杂度取决于其底层实现方式。

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用过，常用容器迭代器失效情形如下。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器。
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可。
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。

1. 迭代器的作用

   （1）用于指向顺序容器和关联容器中的元素

   （2）通过迭代器可以读取它指向的元素

   （3）通过非const迭代器还可以修改其指向的元素

2. 迭代器和指针的区别

   迭代器不是指针，是类模板，表现的像指针。他只是模拟了指针的一些功能，重载了指针的一些 *** 作符，–>、++、–等。迭代器封装了指针，是一个”可遍历STL（ Standard Template Library）容器内全部或部分元素”的对象，本质是封装了原生指针，是指针概念的一种提升，提供了比指针更高级的行为，相当于一种智能指针，他可以根据不同类型的数据结构来实现不同的++，–等 *** 作。

   迭代器返回的是对象引用而不是对象的值，所以cout只能输出迭代器使用取值后的值而不能直接输出其自身。

3. 迭代器产生的原因

   Iterator类的访问方式就是把不同集合类的访问逻辑抽象出来，使得不用暴露集合内部的结构而达到循环遍历集合的效果。

答案解析

1. 迭代器

   Iterator（迭代器）模式又称游标（Cursor）模式，用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。 或者这样说可能更容易理解：Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式，通过运用该模式，使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下，按照一定顺序（由iterator提供的方法）访问聚合对象中的各个元素。 由于Iterator模式的以上特性：与聚合对象耦合，在一定程度上限制了它的广泛运用，一般仅用于底层聚合支持类，如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展Iterator。

2. 迭代器示例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    vector v; //一个存放int元素的数组，一开始里面没有元素
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);
    vector::const_iterator i; //常量迭代器
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) //v.begin()表示v第一个元素迭代器指针，++i指向下一个元素
        cout << *i << ","; //*i表示迭代器指向的元素
    cout << endl;

    vector::reverse_iterator r; //反向迭代器
    for (r = v.rbegin(); r != v.rend(); r++)
        cout << *r << ",";
    cout << endl;
    vector::iterator j; //非常量迭代器
    for (j = v.begin();j != v.end();j++)
        *j = 100;
    for (i = v.begin();i != v.end();i++)
        cout << *i << ",";
    return 0;
}

/*    运行结果：
          1,2,3,4,
          4,3,2,1,
          100,100,100,100,
*/                

参考回答

这是主要考察迭代器失效的问题。

1. 对于序列容器vector，deque来说，使用erase后，后边的每个元素的迭代器都会失效，后边每个元素都往前移动一位，erase返回下一个有效的迭代器；
2. 对于关联容器map，set来说，使用了erase后，当前元素的迭代器失效，但是其结构是红黑树，删除当前元素，不会影响下一个元素的迭代器，所以在调用erase之前，记录下一个元素的迭代器即可；
3. 对于list来说，它使用了不连续分配的内存，并且它的erase方法也会返回下一个有效的迭代器，因此上面两种方法都可以使用。

答案解析

容器上迭代器分类如下表（详细实现过程请翻阅相关资料详细了解）：

参考回答

1. 首先必须弄清楚两个概念：

   （1）capacity：该值在容器初始化时赋值，指的是容器能够容纳的最大的元素的个数。还不能通过下标等访问，因为此时容器中还没有创建任何对象。

   （2）size：指的是此时容器中实际的元素个数。可以通过下标访问0-(size-1)范围内的对象。

2. resize和reserve区别主要有以下几点：

   （1）resize既分配了空间，也创建了对象；reserve表示容器预留空间，但并不是真正的创建对象，需要通过insert（）或push_back（）等创建对象。

   （2）resize既修改capacity大小，也修改size大小；reserve只修改capacity大小，不修改size大小。

   （3）两者的形参个数不一样。 resize带两个参数，一个表示容器大小，一个表示初始值（默认为0）；reserve只带一个参数，表示容器预留的大小。

答案解析

问题延伸：

resize 和 reserve 既有差别，也有共同点。两个接口的共同点是**它们都保证了vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小。**下面就他们的细节进行分析。

为实现resize的语义，resize接口做了两个保证：

（1）保证区间[0, new_size)范围内数据有效，如果下标index在此区间内，vector[indext]是合法的；

（2）保证区间[0, new_size)范围以外数据无效，如果下标index在区间外，vector[indext]是非法的。

reserve只是保证vector的空间大小(capacity)最少达到它的参数所指定的大小n。在区间[0, n)范围内，如果下标是index，vector[index]这种访问有可能是合法的，也有可能是非法的，视具体情况而定。

以下是两个接口的源代码：

void resize(size_type new_size)

   { 
           resize(new_size, T());
   }
  void resize(size_type new_size, const T& x)
   {
        if (new_size < size()) 
              erase(begin() + new_size, end()); // erase区间范围以外的数据，确保区间以外的数据无效
           else
              insert(end(), new_size - size(), x); // 填补区间范围内空缺的数据，确保区间内的数据有效
   }


#include
#include
using namespace std;
int main()
{
    vector a;
    cout<<"initial capacity:"< b;
     /*reserve改变capacity,不改变resize*/
    b.reserve(100);
    cout<<"reserve capacity:"<

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

class A {
public:
    A(int i){
        str = to_string(i);
        cout << "构造函数" << endl; 
    }
    ~A(){}
    A(const A& other): str(other.str){
        cout << "拷贝构造" << endl;
    }

public:
    string str;
};

int main()
{
    vector vec;
    vec.reserve(10);
    for(int i=0;i<10;i++){
        vec.push_back(A(i)); //调用了10次构造函数和10次拷贝构造函数,
//        vec.emplace_back(i);  //调用了10次构造函数一次拷贝构造函数都没有调用过
    }